特許 6265417 レーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6265417

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】レーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/38 20140101AFI20180115BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20180115BHJP

   B23K 26/03 20060101ALI20180115BHJP

   B23K 26/08 20140101ALI20180115BHJP

   B23K 26/044 20140101ALI20180115BHJP

   B23K 26/142 20140101ALI20180115BHJP

   B23K 26/16 20060101ALI20180115BHJP

   G21F 9/30 20060101ALI20180115BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/38 Z

   B23K26/00 P

   B23K26/03

   B23K26/08 H

   B23K26/044

   B23K26/00 N

   B23K26/142

   B23K26/16

   B23K26/00 G

   G21F9/30 531J

   G21F9/30 535F

   G21F9/30 531M

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-16086(P2014-16086)

(22)【出願日】2014年1月30日

(65)【公開番号】特開2015-139820(P2015-139820A)

(43)【公開日】2015年8月3日

【審査請求日】2017年1月20日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 一般社団法人日本原子力学会、２０１３年秋の大会予稿集（平成２５年 ８月２０日発行）第７４１−７４５ページに発表

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２５年 ９月 ３日八戸工業大学において開催された日本原子力学会「２０１３年秋の大会」で発表

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２５年１１月２１日独立行政法人日本原子力開発機構 敦賀本部において開催された第４回レーザー共同研究所成果報告会で発表

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２５年１１月１３日独立行政法人日本原子力開発機構 敦賀本部において開催された公開記者会見で発表

(73)【特許権者】

【識別番号】505374783

【氏名又は名称】国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

(73)【特許権者】

【識別番号】000132161

【氏名又は名称】株式会社スギノマシン

(73)【特許権者】

【識別番号】311007213

【氏名又は名称】株式会社レーザックス

(74)【代理人】

【識別番号】110000442

【氏名又は名称】特許業務法人 武和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村松 壽晴

(72)【発明者】

【氏名】山田 知典

(72)【発明者】

【氏名】羽成 敏秀

(72)【発明者】

【氏名】武部 俊彦

(72)【発明者】

【氏名】松永 幸大

(72)【発明者】

【氏名】酒井 英明

(72)【発明者】

【氏名】碓井 秀三

(72)【発明者】

【氏名】中田 正宏

(72)【発明者】

【氏名】竹山 信一

(72)【発明者】

【氏名】平井 裕慶

(72)【発明者】

【氏名】鴨井 良介

(72)【発明者】

【氏名】坪井 昭彦

(72)【発明者】

【氏名】社本 英泰

【審査官】 篠原 将之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−０６２９１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−００７３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１０８９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２１４４５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０１７７２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２６２８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１２３４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０１０９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１３３４１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１９５３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２３５００９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

Ｇ２１Ｆ ９／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶断・破砕をしようとする処理対象物に対してレーザー光を照射するレーザー加工ヘッドを搭載したロボットと、
前記処理対象物の状態を検出する検出部と、
前記検出部からの検出情報に基づいて前記ロボットを制御する制御部を備え、
前記検出部は、前記処理対象物からのレーザー光の反射光を受光し、前記反射光に基づいて前記処理対象物の３次元幾何学形状を認識するレーザースキャナと、
前記反射光に基づいて前記処理対象物の材質を検出する分光計と、
前記反射光に基づいて前記処理対象物の溶断又は破砕が良好に行われているか否かを検出する温度計と、を有しており、
前記制御部は前記検出部からの情報に基づいて、前記ロボットの動作制御をするロボット制御部と、前記レーザー加工ヘッドから照射されるレーザー光を制御するレーザー光制御部を有していることを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置において、
前記処理対象物の形状が無定形、不規則であり、前記ロボットがＸ−Ｙ−Ｚ３軸直交型のロボットで、前記レーザースキャナによって認識された前記処理対象物の３次元幾何学形状に沿うように、前記ロボット制御部で前記レーザー加工ヘッドの位置を制御することを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載のレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置において、
前記レーザー加工ヘッドは、前記処理対象物に対してレーザー光の連続照射とパルス照射が切り替え可能になっており、
前記分光計により前記レーザー光が照射されている前記処理対象物の部位が金属としての性質を有する金属領域であると検出されると、前記レーザー光制御部により前記レーザー加工ヘッドは前記処理対象物に対してレーザー光の連続照射を行い、
前記分光計により前記レーザー光が照射されている前記処理対象物の部位がセラミックスとしての性質を有するセラミックス領域であると検出されると、前記レーザー光制御部により前記レーザー加工ヘッドは前記処理対象物に対してレーザー光のパルス照射を行うように構成されていることを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置において、
前記処理対象物の溶融溝内に生成した溶融金属を当該溶融溝から排出するアシストガスを噴射するためのアシストガス噴射手段を有し、
前記温度計の検出情報に基づいて前記アシストガスの流量が調整可能になっていることを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置において、
前記レーザー加工ヘッドの付近に前記処理対象物の溶断・破砕で生成した粗粒体を吸引する吸引パイプが設けられ、
前記吸引パイプは前記レーザー加工ヘッドと共に移動可能になっていることを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置において、
前記処理対象物が原子炉の炉心溶融物であることを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー光を熱源として用いた溶断・破砕適応制御装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

原子力発電所における原子炉の事故により冷却機能が減退あるいは喪失すると、核燃料の崩壊熱により、燃料集合体や炉心構造体が過熱されて溶融し、炉心溶融物が生じる可能性がある。
この炉心溶融物は、例えば圧力容器などを構成する炭素鋼からなる金属、燃料被覆管を構成するジルコニウム、核燃料を構成する酸化ウランや酸化プルトニウムなどが混在した溶融物であり、その形状は無定形、不規則となる可能性がある。
この炉心溶融物の処理方法として、例えば特開２０１３−８８１１７号公報(特許文献１)などで提案されている方法がある。
この特許文献１に記載されている炉心溶融物の処理方法は、
炉心溶融物を電解浴の陽極に装荷し、陰極に金属Ｚｒを電解析出させる工程と、
交換した陰極に金属Ｆｅを電解析出させる工程と、
第１ガスをバブリングして陽極雰囲気の酸化性を高める工程と、
交換した陰極にＵ酸化物を電解析出させる工程と、
第２ガスをバブリングして陽極雰囲気の酸化性をさらに高める工程と、
交換した陰極にＵ酸化物及びＰｕ酸化物の混合物を電解析出させる工程と、
陽極に残留する残留物を回収する工程と、
電解浴に含まれる核分裂生成物を回収する工程を含むことを特徴としており、
放射性物質、ＦｅならびにＺｒを別々に分離して回収する方法である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−８８１１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、前述した炉心溶融物の処理方法は多数の工程を有しており、作業が煩雑であり、時間がかかり、コスト高を招く懸念がある。また、この発明では、各種材料が混在した無定形で不規則な外形を有する炉心溶融物を原子炉の中で溶断あるいは破砕することにより、適当な大きさにして原子炉から取り出すことについて配慮されていない。

【0005】

本発明の目的は、例えば金属やセラミックスなど異なる材料が混在して、無定形で不規則な外形を有する処理対象物を、その材料に対応して溶断あるいは破砕できるレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
溶断・破砕をしようとする処理対象物に対してレーザー光を照射するレーザー加工ヘッドを搭載したロボットと、
前記処理対象物の状態を検出する検出部と、
前記検出部からの検出情報に基づいて前記ロボットを制御する制御部を備え、
前記検出部は、前記処理対象物からのレーザー光の反射光を受光し、前記反射光に基づいて前記処理対象物の３次元幾何学形状を認識するレーザースキャナと、
前記反射光に基づいて前記処理対象物の材質を検出する分光計と、
前記反射光に基づいて前記処理対象物の溶断又は破砕が良好に行われているか否かを検出する温度計と、を有しており、
前記制御部は前記検出部からの情報に基づいて、前記ロボットの動作制御をするロボット制御部と、前記レーザー加工ヘッドから照射されるレーザー光を制御するレーザー光制御部を有していることを特徴とするものである。
本発明の第２の手段は第１の手段において、
前記処理対象物の形状が無定形、不規則であり、前記ロボットがＸ−Ｙ−Ｚ３軸直交型のロボットで、前記レーザースキャナによって認識された前記処理対象物の３次元幾何学形状に沿うように、前記ロボット制御部で前記レーザー加工ヘッドの位置を制御することを特徴とするものである。
本発明の第３の手段は第１または２の手段において、
前記レーザー加工ヘッドは、前記処理対象物に対してレーザー光の連続照射とパルス照射が切り替え可能になっており、
前記分光計により前記レーザー光が照射されている前記処理対象物の部位分が金属としての性質を有する金属領域であると検出されると、前記レーザー光制御部により前記レーザー加工ヘッドは前記処理対象物に対してレーザー光の連続照射を行い、
前記分光計により前記レーザー光が照射されている前記処理対象物の部位がセラミックスとしての性質を有するセラミックス領域であると検出されると、前記レーザー光制御部により前記レーザー加工ヘッドは前記処理対象物に対してレーザー光のパルス照射を行うように構成されていることを特徴とするものである。
本発明の第４の手段は第１ないし第３の手段において、
前記処理対象物の溶融溝内に生成した溶融金属を当該溶融溝から排出するアシストガスを噴射するためのアシストガス噴射手段を有し、
前記温度計の検出情報に基づいて前記アシストガスの流量が調整可能になっていることを特徴とするものである。
本発明の第５の手段は第１ないし第４の手段において、
前記レーザー加工ヘッドの付近に前記処理対象物の溶断・破砕で生成した粗粒体を吸引する吸引パイプが設けられ、
前記吸引パイプは前記レーザー加工ヘッドと共に移動可能になっていることを特徴とするものである。
本発明の第６の手段は第１ないし第５の手段において、
前記処理対象物が原子炉の炉心溶融物であることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0007】

本発明は前述のような構成になっており、異なる材料が混在して、無定形で不規則な外形を有する処理対象物を、その材料に対応して溶断あるいは破砕できるレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態に係る溶断・破砕適応制御装置の概略構成図である。

【図2】本実施形態で使用するレーザー加工ヘッドの先端部の拡大断面図である。

【図3】検出部からの情報に基づいて溶断・粉砕条件を調整するシステムを説明するための図である。

【図4】アシストガスの噴流が溶断性能に与える影響について評価した結果をまとめた図である。

【図5】アルミナペレットの模擬体にレーザーパルスを照射した状態を示す図である。

【図6】入熱密度と投入熱量の影響を把握するため、レーザー出力と照射時間を組み合わせた表図である。

【図7】投入熱量とセラミック模擬体の破砕数との関係を示す図である。

【図8】金属領域とセラミックス領域が混在した処理対象物を模擬した金属−セラミックス複合模擬体の斜視図である。

【図9】本発明の実施形態に係る溶断・破砕適応制御方法の全体を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

原子炉の事故により冷却機能が減退あるいは喪失すると、核燃料の崩壊熱により、燃料集合体や炉心構造体が過熱されて溶融し、炉心溶融物が生じる可能性がある。
この炉心溶融物は、例えば圧力容器などを構成する炭素鋼からなる金属、燃料被覆管を構成するジルコニウム、核燃料を構成する酸化ウランや酸化プルトニウムなどが混在した溶融物であり、その形状は無定形、不規則な外形となる可能性がある。

【0010】

また、この炉心溶融物は、靭性の高い金属から靭性の低いセラミックス(ＨＶ〜３００)まで含まれており、さらに熱伝導を阻害する多孔質の領域が存在することもある。また、炉心溶融物の炉外への取出しに際しては、二次廃棄物量の低減が要求される。

【0011】

このようなことから本発明では、材料を選ばずに高速の溶断ならびに破砕が可能で、しかも炉心溶融物の溶断・破砕に伴う粉じんの発生量が少ないレーザー光を熱源として炉心溶融物の溶断・破砕に使用する。

【0012】

次に本発明の実施形態を図面とともに説明する。図1は、本発明の実施形態に係る溶断・破砕適応制御装置の概略構成図である。

【0013】

図１に示されているように溶断・破砕適応制御装置は、ロボット１と制御部２と検出部３とパソコン４から主に構成されている。そしてロボット１と検出部３は事故が起こった原子炉内に挿入されて、一緒に原子炉内で移動できるようになっている。一方、制御部２とパソコン４は、被爆を避けるために原子炉から離れた遠隔操作室（図示せず）に設置されている。
ロボット１と制御部２と検出部３とパソコン４は図１に示すような接続関係になっている。図面上は制御部２とパソコン４が別体に描かれているが、実際には制御部２はパソコン４内に組み込まれている。パソコン４では、例えば溶断・破砕適応制御の開始、終了ならびに溶断・破砕ルートの入力など諸種の操作が行われる。

【0014】

ロボット１は、多関節アーム５の先端部にレーザー加工ヘッド６を搭載したＸ−Ｙ−Ｚ３軸直交型のロボットで構成されている。本実施形態では、レーザー加工ヘッド６の位置精度は±０．１ｍｍ、移動速度は０．１ｍｍ／ｓ〜３００ｍｍ／ｓ（単軸) の範囲内において制御可能である。

【0015】

制御部２は、ロボット１の動作を制御するロボット制御部７と、処理対象物１９(図２参照)に対してレーザー加工ヘッド６から照射されるレーザー光８ (図２参照)を制御するレーザー光制御部９と、処理対象物１９に対してレーザー加工ヘッド６から噴射されるアシストガス１０ (図２参照)の噴流を制御するアシストガス制御部１１を備えている。制御部２は他の制御部も備えているが、本発明とは直接的な関係が薄いため、それらの説明は省略する。

【0016】

検出部３は、処理対象物１９に照射されたレーザー光８の反射光２５(図２参照)を受光することにより、処理対象物１９の表面との距離を演算して、処理対象物１９の表面の凹凸状態を検出するレーザースキャナ１２と、レーザー光８の反射光２５から処理対象物１９の表面温度を検出して溶断などの有無を判断する二色温度計１３と、レーザー光８の反射光２５から処理対象物１９におけるレーザー光照射部位の材質を検出する分光計(レーザー誘起ブレークダウン分光：ＬＩＢＳ) １４を備えている。

【0017】

レーザースキャナ１２、二色温度計１３、分光計(ＬＩＢＳ) １４は一諸に収納されて１つの検出部３を構成している。検出部３は他の検出手段も備えているが、本発明とは直接的な関係が薄いため、それらの説明は省略する。

【0018】

図２は、レーザー加工ヘッド６の先端部の拡大断面図である。図２に示すように、ヘッドケーシング１５の内側には照射筒体１６が同心円状に設置されており、ヘッドケーシング１５の下端面に開口部１７が形成されている。
その開口部１７を取り囲むように先端が尖った照射・噴射ノズル１８が取り付けられ、照射筒体１６の先端部は開口部１７を貫通して、照射・噴射ノズル１８の内部に入り込んでいる。

【0019】

照射筒体１６から照射・噴射ノズル１８を通して溶断・粉砕用のレーザー光８が処理対象物１９に照射される。本実施形態では、レーザー光８のスポット径は１ｍｍである。
ヘッドケーシング１５と照射筒体１６の間に形成されたガス供給流路２０からはアシストガス１０が供給され、照射・噴射ノズル１８で流速が速められて、照射・噴射ノズル１８からレーザー光８の照射部位(溶融溝)に向けて噴射される。アシストガス１０として、例えばアルゴンガス、圧縮空気、窒素ガスなどが用いられる。

【0020】

図２の例では、金属としての性質を有する金属領域２１とセラミックス(例えば(Ｕ，Ｚｒ)Ｏ₂) としての性質を有するセラミックス領域２２が混在した処理対象物１９を示している。
金属領域２１の溶断やセラミックス領域２２の粉砕によって生成した粗粒体２３は、フレキシブルで大径の吸引パイプ２４を備えて、強力な吸引力を有する吸引回収機構により炉外に素早く回収される。吸引パイプ２４もレーザー加工ヘッド６と一緒に移動する構成になっている。

【0021】

処理対象物１９の幾何形状や機械的特性などに応じてレーザー光８による処理対象物１９の溶断・粉砕が的確に行われるように、検出部３からの情報に基づいてレーザー光８の照射条件などを常に調整する必要がある。

【0022】

図３は、検出部３からの情報に基づいて溶断・粉砕条件を調整するシステムを説明する図である。なお、図中の符号３０は溶融金属を示している。
図２に示されているように検出部３は、処理対象物１９に照射されたレーザー８の反射光２５を確実に受光するように、照射・噴射ノズル１８の外周、すなわち処理対象物１９のレーザー光照射部位近傍に配置される。

【0023】

検出部３に取り入れられる反射光２５により、レーザースキャナ１２では処理対象物１９の３次元幾何学形状点群データを取得して、その点群データを基に幾何学形状ＣＡＤデータを作成し、このＣＡＤデータにより処理対象物１９の３次元幾何学形状を認識する。

【0024】

そして制御部２のロボット制御部７では、前述の幾何学形状ＣＡＤデータに基づいてロボット１の多関節アーム５を駆動して、レーザー加工ヘッド６を処理対象物１９の形状に沿って適切に移動する。

【0025】

また、検出部３に取り入れられる反射光２５により、分光計(ＬＩＢＳ) １４では反射光２５の波長を測定する。処理対象物１９の中で金属領域とセラミックス領域では反射光２５の波長が異なり、その波長の違いから処理対象物１９のレーザー光照射部位の材質を識別することができる。

【0026】

そして制御部２のレーザー光制御部９では、金属領域を溶断する場合はレーザー光８の連続照射を行い、セラミックス領域を破砕する場合はレーザー光８のパルス照射を行う。このレーザー光８の照射形態の切り替えをロボット１の動作と連携制御することで、処理対象物１９の溶断−破砕を連続的に行うことができる。セラミックス領域にレーザー光８をパルス照射することにより、熱応力を利用してセラミックス領域を粉砕する。

【0027】

さらに、検出部３に取り入れられる反射光２５により、二色温度計１３では処理対象物１９の表面温度を検出して溶断・粉砕性能を評価する。溶断・粉砕の確認を行いながら、制御部２のロボット制御部７で処理対象物１９の溶断・粉砕を進めていく。

【0028】

処理対象物１９が溶断・粉砕不良の場合は、レーザー光制御部９で例えばレーザー光８の出力Ｐ、レーザー光８の焦点距離ＬＦ、処理対象物１９の切断部からレーザー加工ヘッド６までの距離ＬＷ、レーザー加工ヘッド６の移動速度Ｖ、アシストガス制御部１１でアシストガス１０のガス流速ＶＬ（いずれも図３参照）などの溶断・粉砕条件を調整する。

【0029】

図４は、アシストガス１０の噴流が溶断性能に与える影響について評価した結果をまとめた図である。
この試験は、金属試験片（ＳＳ４００，５０×７５×３０ｍｍ）の端面溶断試験を行った。レーザー光８として出力４ｋＷのファイバーレーザーを用い、レーザー加工ヘッド６を移動速度Ｖ[ｍｍ／ｍｉｎ]で移動させ、アシストガス１０の流量(Ｑ＝７０，３５０ Ｌ／ｍｉｎ) およびスタンドオフ(Ｌ＝２，１０ｍｍ)を加工パラメータとして実施した。

【0030】

図４中の（ａ）はスタンドオフＬ（図３参照）：２ｍｍ、アシストガス流量Ｑ：３５０Ｌ／ｍｉｎ、（ｂ）はスタンドオフＬ：２ｍｍ、アシストガス流量Ｑ：７０Ｌ／ｍｉｎ、（ｃ）はスタンドオフＬ：１０ｍｍ、アシストガス流量Ｑ：３５０Ｌ／ｍｉｎの条件で、金属片の溶断、溶断不可の判定を行った。

【0031】

この図４の結果により、（ａ）のようにスタンドオフを小さくする、ならびに(もしくは)アシストガス流量を多くすることにより溶断性能は向上し、また、レーザー加工ヘッド６の移動速度Ｖをある程度上げても確実に溶断することができる。

【0032】

金属試験片を溶断する際、金属試験片内に溶融溝が形成され、その溶融溝にアシストガスを噴射することにより溶融溝内に生成された溶融金属を排出する訳であるが、溶融金属の排出の際にドラグラインが形成される。

【0033】

溶断可と判定された金属片を観察してみると、金属試験片の表面から裏面までほぼストレートなドラグラインが形成されるが、溶断不可と判定された金属片を観察してみると、ドラグラインは大きく弧を描き、溶融溝の側面に繋がっている様子が確認され、アシストガスによる溶断溝深部の溶融金属の排出ができなくなったために溶断不可となったと考えられる。

【0034】

核燃料と炉内構造物が溶融混合した状態で急冷され、セラミックス化した処理対象物１９の存在が予想される。本発明者らはこのセラミックス化した処理対象物１９の粉砕についても検討を行った。

【0035】

セラミックス化した処理対象物１９のビッカース硬さを模擬したアルミナペレットのセラミックス模擬体２６を制作し、その模擬体２６にレーザーパルスを照射して模擬体２６の破砕の状態を調べた。

【0036】

図５は、アルミナペレットの模擬体２６にレーザーパルスを照射した状態を示す図である。
ジルコニア(１３００ＨＶ) と同程度の硬さを有するアルミナ(１５５０ＨＶ) 製の円柱状ペレット(直径８．７ｍｍ、高さ１０ｍｍ)を模擬体２６として用い、模擬体２６を固定治具２７で固定した。これをスタンドオフＬ：２ｍｍになるようにしてレーザー加工ヘッド６の直下に取り付け、模擬体２６に対してスポット径：１．５６ｍｍのレーザー光８を模擬体２６に上面に対して垂直にパルス照射し、模擬体２６の破砕状態を調べた。
実験パラメータの設定は、入熱密度と投入熱量の影響を把握するため、レーザー出力と照射時間を組み合わせ、図６に示す条件とした。

【0037】

図７は、投入熱量と模擬体２６の破砕数との関係を示す図である。図７において破片数１は、模擬体２６が溶融貫通するものの、破砕されなかった場合を示す。
図７に示されているように、入熱密度が１３１ｋＷ／ｃｍ^２ (試験条件Ａ〜Ｄ)では、投入熱量の増加に伴って破砕数が増加しており、アルミナが細かく破砕されていることが分かる。また、入熱密度が２６２ｋＷ／ｃｍ^２ (試験条件Ｅ〜Ｇ)でも同様の傾向があり、入熱密度１３１ｋＷ／ｃｍ^２と比較すると、投入熱量が同じであっても、入熱密度の違いにより細かく粉砕できていることが分かる。しかし、投入熱量が最も多い試験条件Ｈでは、破砕数の減少が見られた。

【0038】

図８は、金属としての性質を有する金属領域２１とセラミックスとしての性質を有するセラミックス領域２２が混在した処理対象物１９を模擬した金属−セラミックス複合模擬体２８の斜視図である。
図８に示すように、縦横ともに３０ｍｍで、厚さが１０ｍｍの正方体からなり、それの中心部に直径が９ｍｍ、深さが９ｍｍの有底状の穴を形成したステンレス鋼板２９を準備する。

【0039】

一方、直径が８．７ｍｍで、高さが１０ｍｍの円柱状アルミナペレット３０の全周面にセラミックスボンドを塗布し、このアルミナペレット３０をステンレス鋼板２９の穴に埋め込んで金属−セラミックス複合模擬体２８を制作した。

【0040】

図示していないが、レーザー加工ヘッド６の直下にこの金属−セラミックス複合模擬体２８を固定し、スタンドオフを１０ｍｍ、焦点位置を模擬体２８の上面から高さ方向に＋８ｍｍとし、レーザー光８の照射方向は模擬体２８の上面に対して面直方向とした。

【0041】

ステンレス鋼板２９上の一点鎖線はレーザー光連続照射時におけるレーザー加工ヘッド６の移動方向を示しており、また、アルミナペレット３０上の黒丸はレーザー光のパルス照射位置を示している。

【0042】

ステンレス鋼板２９上を連続照射するときのレーザー出力Ｐを４ｋＷ、レーザー加工ヘッド６の移動速度Ｖを１ｍｍ／ｓ、アシストガスとして圧縮空気を使用し、その流速Ｖを３５０Ｌ／ｍｉｎとして、アルミナペレット３０上をパルス照射するときのレーザー出力Ｐを４ｋＷ、照射時間を３００ｍｓとした。

【0043】

このような条件で、ステンレス鋼板２９の溶断−アルミナペレット３０の破砕−ステンレス鋼板２９の溶断を連続して行った。

【0044】

図９は、本実施形態に係る溶断・破砕適応制御方法の全体を説明するフローチャートである。

【0045】

まず、ステップ(以下、Ｓと略記する) 1においてレーザースキャナ１２で処理対象物１９の形状を認識し、Ｓ２において分光計１４で処理対象物１９の材質を認識する。この処理対象物１９の形状と材質の情報を参考にして、Ｓ３で処理対象物１９の溶断・破砕ルートをパソコン４から入力する。

【0046】

Ｓ４で溶断・破砕ルートの始点から終点までの位置座標を時々刻々更新し、Ｓ５において前記Ｓ1の結果に基づき、ロボット制御部７で処理対象物１９の形状に沿ってロボット１（レーザー加工ヘッド６）の移動制御、前記Ｓ２の結果に基づき、レーザー制御部９でレーザー照射(連続照射あるいはパルス照射)制御、アシストガス制御部１１でアシストガスの噴射制御を行いながら、処理対象物１９の溶断・破砕を実行する。

【0047】

Ｓ６において二色温度計１４で溶断・破砕の表面温度を測定し、その情報に基づいてＳ７で溶断・破砕が良好に行われているか否かの判断がなされる。溶断・破砕が良好に行われていないと判断されると(Ｓ７でＮＯ)、Ｓ８で、適応制御アルゴリズムによる回復動作を決定する。

【0048】

すなわち、溶断不良の場合、どの可制御パラメータを変更して溶断良好な状況にするかを決定する。可制御パラメータは、レーザー加工ヘッド６のスウィープ速度、スタンドオフ、レーザー出力、入熱密度、アスシトガス流量などの中から決定される。この決定には、予め蓄えられているデータベースを利用する。

【0049】

このようにして溶断・破砕条件が更新され、それに基づいてＳ５で処理対象物１９の溶断・破砕が実行される。

【0050】

Ｓ７で溶断・破砕が良好に行われていると判断されると(Ｓ７でＹＥＳ)、Ｓ９で溶断・破砕が終了か否かの判断がなされる。そして溶断・破砕が終了であれば(Ｓ９でＹＥＳ)、溶断・破砕適応制御を終了し、溶断・破砕が終了でなければＳ４に戻る。

【0051】

前記実施形態では空気中にある金属やセラミックスの溶断・粉砕について説明したが、金属やセラミックスが水中にある場合、ロボット１のアーム５（レーザー加工ヘッド６）を水中に浸漬して溶断・粉砕を行うことになる。

【0052】

前記実施形態ではセラミックスを粉砕する例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばコンクリート、岩石、各種塊体の破砕にも適用可能である。その場合は、破砕する処理対象物に対して破砕性能を評価して、レーザー照射条件を適切に変更する適応制御システムとなる。

【0053】

前記実施形態では原子力発電で燃料集合体や炉心構造体が過熱されて溶融した炉心溶融物の冷却体を溶断−粉砕する例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば産業廃棄物焼却装置の火炉壁に固着した燃焼残渣物の溶断・破砕、船舶の溶断解体、岩石の破砕撤去など各種の産業分野において適用可能である。

【符号の説明】

【0054】

１：ロボット、
２：制御部、
３：検出部、
６：レーザー加工ヘッド、
７：ロボット制御部、
８：レーザー光、
９：レーザー光制御部、
１０：アシストガス、
１１：アシストガス制御部、
１２：レーザースキャナ、
１３：二色温度計、
１４：分光計、
１９：処理対象物、
２１：金属領域、
２２：セラミックス領域、
２３：粗粒体、
２４：吸引パイプ、
２５：反射光、
Ｐ：レーザー光の出力、
ＬＦ：レーザー光の焦点距離、
ＬＷ：処理対象物の切断部からレーザー加工ヘッドまでの距離、
Ｖ：レーザー加工ヘッドの移動速度、
ＶＬ：アシストガス流速。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】